特許 6587906 空燃比センサの異常検出装置、空燃比センサの制御装置および異常検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6587906

(24)【登録日】2019年9月20日

(45)【発行日】2019年10月9日

(54)【発明の名称】空燃比センサの異常検出装置、空燃比センサの制御装置および異常検出方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/26 20060101AFI20191001BHJP

   G01N 27/419 20060101ALI20191001BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/26 391A

   G01N27/46 327Z

【請求項の数】10

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2015-217736(P2015-217736)

(22)【出願日】2015年11月5日

(65)【公開番号】特開2017-90122(P2017-90122A)

(43)【公開日】2017年5月25日

【審査請求日】2018年9月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000237592

【氏名又は名称】株式会社デンソーテン

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小宮 基樹

(72)【発明者】

【氏名】木戸 啓介

(72)【発明者】

【氏名】森崎 知治

(72)【発明者】

【氏名】梅山 重人

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 将利

(72)【発明者】

【氏名】三浦 広土

【審査官】 黒田 浩一

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０１−２７２９５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１２８８３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２７／２６

Ｇ０１Ｎ ２７／４１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガス検出室の酸素濃度を検出するための検出セルと前記ガス検出室への酸素の汲み入れや汲み出しを行うポンプセルとを備えるガスセンサ素子を有する空燃比センサの異常検出装置であって、
前記検出セルの一端が接続される第１端子と前記検出セルの他端が接続される第２端子との間の電圧を検出する端子間電圧検出部と、
前記検出セルのインピーダンスの状態を測定するために前記第１端子と前記第２端子との間に供給される測定用電流によって変化する前記第２端子の電圧を検出する端子電圧検出部と、
前記端子間電圧検出部によって検出される電圧と前記端子電圧検出部によって検出される電圧の前記測定用電流による変化量とに基づいて、前記第１端子と前記第２端子との間のショート状態を判定する異常判定部と、を備える
ことを特徴とする異常検出装置。

【請求項2】

前記異常判定部は、
前記端子間電圧検出部によって検出された電圧が所定値以下であり、かつ、前記端子電圧検出部によって検出される電圧の前記測定用電流による変化量が所定値以下である場合に、前記第１端子と前記第２端子との間がショートしていると判定する
ことを特徴とする請求項１に記載の異常検出装置。

【請求項3】

前記異常判定部は、
前記測定用電流が供給されなくなってから所定期間経過後であって前記測定用電流の供給前に前記端子間電圧検出部によって検出された電圧に基づいて、前記第１端子と前記第２端子との間のショート状態を判定する
ことを特徴とする請求項２に記載の異常検出装置。

【請求項4】

前記異常判定部は、
前記空燃比センサが空燃比を検出する動作モードへ移行してから所定期間経過後に、前記第１端子と前記第２端子との間のショート状態の判定処理を開始する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の異常検出装置。

【請求項5】

前記異常判定部は、
前記端子電圧検出部によって検出される前記測定用電流による変化量に基づいて求められる前記インピーダンスが所定値以下になってから所定期間が経過するまで、前記ガスセンサ素子を加熱するヒータへ供給する電力量の調整を制限する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の異常検出装置。

【請求項6】

前記異常判定部は、
前記インピーダンスが前記所定値以下になる前の前記電力量を前記所定期間維持することによって、前記電力量の調整の制限を行う
ことを特徴とする請求項５に記載の異常検出装置。

【請求項7】

前記異常判定部は、
前記電力量が所定値以下になることを禁止することによって、前記電力量の調整の制限を行う
ことを特徴とする請求項５に記載の異常検出装置。

【請求項8】

前記所定期間は、
前記第１端子と前記第２端子との間のショートの発生によって前記インピーダンスが前記所定値以下になってから前記異常判定部によって前記第１端子と前記第２端子との間がショートしていると判定されるまでの期間よりも長い
ことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つに記載の異常検出装置。

【請求項9】

請求項１〜８のいずれか１つに記載の異常検出装置を有する
ことを特徴とする空燃比センサの制御装置。

【請求項10】

ガス検出室の酸素濃度を検出するための検出セルと前記ガス検出室への酸素の汲み入れや汲み出しを行うポンプセルとを備えるガスセンサ素子を有する空燃比センサの異常検出方法であって、
前記検出セルの一端が接続される第１端子と前記検出セルの他端が接続される第２端子との間の電圧を検出する端子間電圧検出工程と、
前記検出セルのインピーダンスの状態を測定するために前記第１端子と前記第２端子との間に供給される測定用電流によって変化する前記第２端子の電圧を検出する端子電圧検出工程と、
前記端子電圧検出工程によって検出される電圧の前記測定用電流による変化量と前記端子間電圧検出工程によって検出される電圧とに基づいて、前記第１端子と前記第２端子との間のショート状態を判定する異常判定工程と、を含む
ことを特徴とする異常検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、空燃比センサの異常検出装置、空燃比センサの制御装置および異常検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

車両の燃費向上などを目的として、内燃機関から排出される排気ガス中の空気と燃料の比である空燃比を目標空燃比に近づけるフィードバック制御が広く知られており、かかる空燃比は、空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）によって検出される。

【0003】

空燃比センサとして、ポンプセルと検出セルを有するガスセンサ素子を備える空燃比センサが知られている。かかる空燃比センサでは、検出セルの両端がショートする等の異常が生じると、空燃比を正確に検出することが困難になる。そこで、検出セルの両端がショートする異常が生じたことを検出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５−２９１９９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記従来技術では、検出セルの両端がショートする異常を精度よく検出することができないおそれがある。

【0006】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、検出セルの両端がショートする異常を精度よく検出することができる空燃比センサの異常検出装置、空燃比センサの制御装置および異常検出方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ガス検出室の酸素濃度を検出するための検出セルと前記ガス検出室への酸素の汲み入れや汲み出しを行うポンプセルとを備えるガスセンサ素子を有する空燃比センサの異常検出装置であって、端子間電圧検出部と、端子電圧検出部と、異常判定部とを備える。前記端子間電圧検出部は、前記検出セルの一端が接続される第１端子と前記検出セルの他端が接続される第２端子との間の電圧を検出する。前記端子電圧検出部は、前記検出セルのインピーダンスの状態を測定するために前記第１端子と前記第２端子との間に供給される測定用電流によって変化する前記第２端子の電圧を検出する。前記異常判定部は、前記端子間電圧検出部によって検出される電圧と前記端子電圧検出部によって検出される電圧の前記測定用電流による変化量とに基づいて、前記第１端子と前記第２端子との間のショート状態を判定する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、検出セルの両端がショートする異常を精度よく検出することができる空燃比センサの異常検出装置、空燃比センサの制御装置および異常検出方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係る空燃比センサの構成の一例を示す図である。

【図2】図２は、図１に示す空燃比センサの具体的構成例を示す図である。

【図3】図３は、図２に示すガスセンサ素子の具体的構成例を示す図である。

【図4】図４は、測定用電流供給部の他の構成例を示す図である。

【図5】図５は、空燃比センサが正常時における、ＣＯＭ電圧、ＶＳ電圧およびＩＰ電流の状態変化を示す図である。

【図6】図６は、異常判定部の構成例を示す図である。

【図7】図７は、測定用電流とＶＳ電圧とＣＯＭ電圧との状態変化を示す図である。

【図8】図８は、異常判定部で用いる端子間電圧の検出タイミングの説明図である。

【図9】図９は、第１モードから第２モードへ移行してから、検出セルの両端のショートが発生した場合の動作説明図である。

【図10】図１０は、インピーダンスが閾値以下になった場合、異常検出部がデューティ比の調整を制限しない場合の動作説明図である。

【図11】図１１は、異常検出部が実行する主な処理手順を示すフローチャートであり、繰り返し実行される処理である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、本発明にかかる空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）の異常検出装置、空燃比センサの制御装置および異常検出方法の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、かかる実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

【0011】

［１．空燃比センサの構成］
図１は、本発明の実施形態に係る空燃比センサの構成の一例を示す図である。図１に示すように、空燃比センサ１は、ガスセンサ素子２と、制御装置３とを備える。

【0012】

図１に示すガスセンサ素子２は、例えば、全領域空燃比ガスセンサ素子であり、不図示のガス検出室への酸素の汲み入れや汲み出しを行うポンプセル４と、ガス検出室の酸素濃度を検出するための検出セル５とを備える。かかるガスセンサ素子２は、例えば、不図示の車両の内燃機関の排気管に配置され、排気ガス中の酸素濃度（空熱比）を検出する。

【0013】

制御装置３は、ＣＯＭ端子Ｔｃｏｍ（第１端子の一例）と、ＶＳ端子Ｔｖｓ（第２端子の一例）と、ＩＰ端子Ｔｉｐと、電圧制御部１０と、端子電圧検出部１１と、フィードバック制御部１２と、電流供給部１３と、電流検出部１４と、空燃比演算部１５と、測定用電流供給部１６と、異常検出部１９（異常検出装置の一例）とを備える。

【0014】

ＩＰ端子Ｔｉｐには、ポンプセル４の一端に接続され、ＣＯＭ端子Ｔｃｏｍには、ポンプセル４の他端と検出セル５の一端とが共通に接続され、ＶＳ端子Ｔｖｓには、検出セル５の他端が接続される。

【0015】

電圧制御部１０は、ＣＯＭ端子Ｔｃｏｍの電圧Ｖｃｏｍ（以下、ＣＯＭ電圧Ｖｃｏｍと記載する）が一定電圧になるように電圧を出力する。端子電圧検出部１１は、ＶＳ端子Ｔｖｓの電圧Ｖｓ（以下、ＶＳ電圧Ｖｓと記載する）を検出する。

【0016】

フィードバック制御部１２は、端子電圧検出部１１によって検出されるＶＳ電圧Ｖｓに応じた制御電圧Ｖｃｎｔを電流供給部１３へ出力する。電流供給部１３は、制御電圧Ｖｃｎｔに応じた電流をＩＰ端子Ｔｉｐからガスセンサ素子２のポンプセル４へ供給する。

【0017】

電流検出部１４は、ＩＰ端子ＴｉｐとＣＯＭ端子Ｔｃｏｍとの間に流れる電流Ｉｐ（以下、ＩＰ電流Ｉｐと記載する）を検出する。空燃比演算部１５は、ＩＰ電流Ｉｐに基づいて空燃比（以下、Ａ／Ｆ値と記載する場合がある）を演算する。測定用電流供給部１６は、検出セル５のインピーダンスＺｓの状態を測定するための測定用電流ＩｍをＶＳ端子ＴｖｓとＣＯＭ端子Ｔｃｏｍとの間に供給することで、測定用電流Ｉｍを検出セル５へ供給する。

【0018】

異常検出部１９は、端子間電圧検出部５１と、端子電圧検出部５２と、異常判定部５３とを備える。端子間電圧検出部５１は、ＣＯＭ端子ＴｃｏｍとＶＳ端子Ｔｖｓとの間（以下、ＣＯＭ−ＶＳ間と記載する場合がある）の電圧Ｖｃｖ（以下、端子間電圧Ｖｃｖと記載する）を検出する。端子電圧検出部５２は、ＶＳ電圧Ｖｓを検出する。

【0019】

異常判定部５３は、端子間電圧検出部５１によって検出された端子間電圧Ｖｃｖと、端子電圧検出部５２によって検出されたＶＳ電圧Ｖｓの測定用電流Ｉｍによる変化量（以下、電圧変化量ΔＶｓと記載する）とに基づいて、ＣＯＭ−ＶＳ間がショート状態であるか否かを検出する。これにより、ＣＯＭ−ＶＳ間、すなわち、検出セル５の両端がショートする異常を精度よく検出することができる。

【0020】

例えば、異常判定部５３は、端子間電圧Ｖｃｖが閾値Ｖｔｈ１（所定値の一例）以下であり、かつ、電圧変化量ΔＶｓが閾値Ｖｔｈ２（所定値の一例）以下である場合に、ＣＯＭ−ＶＳ間がショートしていると判定する。ＣＯＭ−ＶＳ間は、例えば、検出セル５の端子Ｔ２と制御装置３の端子Ｔｃｏｍとを接続する接続線と検出セル５の端子Ｔ３と制御装置３の端子Ｔｖｓとを接続する接続線との間の接触などによって生じる。

【0021】

ＩＰ端子ＴｉｐとＣＯＭ端子Ｔｃｏｍとの間（以下、ＩＰ−ＣＯＭ間と記載する場合がある）がショートしている場合、ＩＰ電流Ｉｐがポンプセル４に流れないため、ＶＳ電圧Ｖｓは雰囲気（ガスセンサ素子２が配置される空間の酸素濃度）に応じた電圧になる。そのため、空燃比がリーンである場合、端子間電圧Ｖｃｖがほぼ０Ｖになり、端子間電圧Ｖｃｖのみに着目した場合、検出セル５の両端がショートしてないにも関わらず、検出セル５の両端がショートしていると誤判定する場合がある。

【0022】

そこで、異常判定部５３は、端子間電圧Ｖｃｖが閾値Ｖｔｈ１（所定値の一例）以下であるかに加え、測定用電流ＩｍによるＶＳ電圧Ｖｓの変化量ΔＶｓが閾値Ｖｔｈ２以下であるかを判定するようにしている。これにより、ＩＰ−ＣＯＭ間がショートしている場合であっても、検出セル５の両端のショート状態を精度よく検出することができる。

【0023】

［２．空燃比センサ１の具体的構成例］
次に、空燃比センサ１の具体的構成の一例について説明する。図２は、実施形態に係る空燃比センサ１の具体的構成例を示す図であり、図３は、ガスセンサ素子２の具体的構成例を示す図である。なお、空燃比センサ１の制御装置３は、例えば、車両に設けられたＥＣＵ(Electronic Control Unit)内に設けられる。

【0024】

［２．１．ガスセンサ素子２の具体的構成例］
まず、図３を参照してガスセンサ素子２の具体的構成例について説明する。図３に示すように、ガスセンサ素子２は、例えば、全領域空燃比ガスセンサ素子であり、固体電解質体８１、絶縁基体８５、固体電解質体８７、８９を順に積層した構成を有する。

【0025】

固体電解質体８１、８７、８９は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体であり、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ２）にイットリア（Ｙ２Ｏ３）を添加して構成される。絶縁基体８５は、例えば、アルミナなどによって構成される。

【0026】

絶縁基体８５にはガス検出室９０が形成され、かかるガス検出室９０の両端には、ガス検出室９０への排気ガスの流入量を規制する多孔質状の拡散律速部８４が設けられる。

【0027】

ポンプセル４は、固体電解質体８１と、当該固体電解質体８１の両面に多孔質の白金などにより形成された電極８２、８３とを備え、電極８２、８３間に供給される電流の大きさおよび方向に応じてガス検出室９０への酸素の汲み入れや汲み出しを行う。電極８２は、例えば、多孔質性の保護層８０によって保護される。

【0028】

検出セル５は、固体電解質体８７と、当該固体電解質体８７の両面に多孔質の白金などにより形成された電極８６、８８とを備える。電極８６、８８間に定電流Ｉｃｐが供給されることにより、ガス検出室９０の酸素濃度に応じた起電力が電極８６、８８間に発生する。

【0029】

なお、図３に示していないが、ガスセンサ素子２にはヒータ６（図２参照）が設けられており、かかるヒータ６の加熱によってガスセンサ素子２が活性化される。ヒータ６は、例えば、セラミックヒータであり、内部にヒータ配線が設けられる。

【0030】

［２．２．制御装置３の具体的構成例］
次に、図２に示す制御装置３について説明する。制御装置３は、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の集積回路により実現される。なお、制御装置３は、演算処理の一部または全部をＣＰＵ（Central Processing Unit）によって実行する構成であってもよい。

【0031】

図２に示すように、制御装置３は、ＣＯＭ端子Ｔｃｏｍと、ＶＳ端子Ｔｖｓと、ＩＰ端子Ｔｉｐと、電圧制御部１０と、端子電圧検出部１１と、フィードバック制御部１２と、電流供給部１３と、電流検出部１４と、空燃比演算部１５と、測定用電流供給部１６と、ヒータ制御部１７と、モード制御部１８と、異常検出部１９（異常検出装置の一例）とを備える。

【0032】

［２．２．１．電圧制御部１０］
電圧制御部１０は、ガスセンサ素子２の端子Ｔ２の電圧が一定の電圧Ｖａ（例えば、３．３［Ｖ］）になるように電圧を出力する。かかる電圧制御部１０は、オペアンプＯＰ１と、抵抗Ｒ１、Ｒ２とを備え、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点が一定電圧Ｖａになるように動作し、抵抗Ｒ１を介して端子Ｔｃｏｍへ一定電圧Ｖａを供給する。

【0033】

［２．２．２．端子電圧検出部１１］
端子電圧検出部１１は、電流源４２と、ボルテージフォロア４１とを備える。電流源４０は、検出セル５に定電流Ｉｃｐを流す。ボルテージフォロア４１は、ＶＳ端子Ｔｖｓの電圧であるＶＳ電圧Ｖｓを検出する。

【0034】

電流源４０からの定電流Ｉｃｐが図３に示すガスセンサ素子２の電極８８から電極８６に流れることによって、一定濃度の酸素が電極８８に蓄積される。これにより、電極８６、８８間の酸素濃度に応じた起電力が電極８６、８８間に発生し、端子Ｔ２、Ｔ３間の電圧として現れる。

【0035】

［２．２．３．フィードバック制御部１２］
フィードバック制御部１２は、端子電圧検出部１１によって検出されるＶＳ電圧Ｖｓに応じた制御電圧を生成し、かかる制御電圧Ｖｃｎｔを電流供給部１３へ出力する。

【0036】

フィードバック制御部１２は、例えばＰＩ（比例積分）制御またはＰＩＤ（比例積分微分）制御によって、ＶＳ電圧Ｖｓと予め定められた基準電圧値Ｖｒｅｆ（例えば、０．４５［Ｖ］）との差に応じた方向および大きさの電流Ｉｐが電流供給部１３からガスセンサ素子２の端子Ｔ１へ供給されるように、電流供給部１３へ制御電圧Ｖｃｎｔを出力する。

【0037】

［２．２．４．電流供給部１３］
電流供給部１３は、抵抗Ｒ３〜Ｒ７と、オペアンプＯＰ２とを備え、フィードバック制御部１２から出力される制御電圧Ｖｃｎｔと基準電圧Ｖｂとの差に応じた方向および大きさの電流ＩｐをＩＰ端子Ｔｉｐからガスセンサ素子２のポンプセル４へ供給する。なお、電流供給部１３は図２に示す回路に限定されるものではなく、フィードバック制御部１２の制御に応じた電流Ｉｐを端子Ｔ１へ供給することができる構成であればよい。

【0038】

［２．２．５．電流検出部１４］
電流検出部１４は、電圧制御部１０の抵抗Ｒ２の両端電圧Ｖｒ２を検出し、抵抗Ｒ２（例えば、Ｒ２＝２００Ω）の両端電圧Ｖｒ２からポンプセル４に流れる電流Ｉｐ（＝Ｖｒ２／Ｒ３）を検出する。空燃比演算部１５は、ＩＰ電流Ｉｐに基づいて空燃比（Ａ／Ｆ値）を演算する。

【0039】

なお、電流検出部１４は、ＩＰ電流Ｉｐを検出する構成であればよく、図２に示す構成に限定されない。例えば、電流検出部１４は、オペアンプＯＰ１の出力と一定電圧Ｖａとの差から両端電圧Ｖｒ２を検出し、ＩＰ電流Ｉｐを検出する構成であってもよい。また、図２に示していないが、制御装置３には定電流Ｉｃｐを流すための定電流源がＶＳ端子ＴｖｓとＣＯＭ端子Ｔｃｏｍとにそれぞれ設けられており、定電流Ｉｃｐは電流検出部１４によって検出されるＩＰ電流Ｉｐには含まれない。

【0040】

［２．２．６．空燃比演算部１５］
空燃比演算部１５は、電流検出部１４によって検出されたＩＰ電流Ｉｐに基づいて空燃比（Ａ／Ｆ値）を演算する。

【0041】

［２．２．７．測定用電流供給部１６］
測定用電流供給部１６は、検出セル５のインピーダンスＺｓの状態を測定するための定電流である測定用電流Ｉｍを電流源４２からＣＯＭ端子ＴｃｏｍとＶＳ端子Ｔｖｓとの間に供給する。これにより、検出セル５に測定用電流Ｉｍが供給される。かかる測定用電流供給部１６は、電流源４２とスイッチ４３とを備える。

【0042】

電流源４２とスイッチ４３は、ＶＳ端子ＴｖｓとグランドＧＮＤとの間に直列に接続されて配置される。スイッチ４３は、断続的にオン（例えば、所定期間ＴＡ毎に所定期間ＴＢの間だけオン）になり、測定用電流Ｉｍが電流源４２から検出セル５へ断続的に供給される。

【0043】

なお、測定用電流供給部１６は、図２に示す構成に限定されない。図４は、測定用電流供給部１６の他の構成例を示す図である。図４に示す測定用電流供給部１６は、スイッチ４３と、電圧源４４と、コンデンサ４５とを備える。

【0044】

スイッチ４３、電圧源４４およびコンデンサ４５は、ＶＳ端子ＴｖｓとグランドＧＮＤとの間に直列に接続されて配置される。スイッチ４３は、断続的にオンになり、測定用電流Ｉｍが電圧源４４およびコンデンサ４５から検出セル５へ断続的に供給される。

【0045】

［２．２．８．ヒータ制御部１７］
ヒータ制御部１７は、ガスセンサ素子２に設けられたヒータ６のヒータ配線に接続され、バッテリーＢＡＴからヒータ６へ供給する電力量を制御する。これによりヒータ６の温度が制御される。

【0046】

かかるヒータ制御部１７は、駆動部４６と、スイッチング素子４７とを備える。駆動部４６は、ヒータ６へ供給する電力量に応じたデューティ比Ｄの駆動信号を生成し、スイッチング素子４７へ出力する。これにより、駆動信号に基づきデューティ比Ｄでスイッチング素子４７がオン／オフされてヒータ６にバッテリーＢＡＴからデューティ比Ｄに応じた電力が供給される。

【0047】

［２．２．９．モード制御部１８］
モード制御部１８は、端子電圧検出部１１によって検出されるＶＳ電圧Ｖｓに基づいて、ガスセンサ素子２の活性状態を判定する。

【0048】

ガスセンサ素子２の活性状態には、ガスセンサ素子２が活性化していない状態（以下、非活性状態と記載する）とガスセンサ素子２が活性化している状態（以下、活性状態と記載する）とがある。後述するセンサ非活性領域は、ガスセンサ素子２が活性化していない期間であり、センサ活性領域は、ガスセンサ素子２が活性化している期間である。

【0049】

モード制御部１８は、判定したガスセンサ素子２の活性化状態に基づいて、制御モードを設定する。制御モードには、第１モードと、第２モードとが含まれる。第１モードは、ガスセンサ素子２が非活性状態である場合の動作モードであり、ガスセンサ素子２を活性化させる動作モードである。第２モードは、ガスセンサ素子２が活性状態である場合の動作モードであり、Ａ／Ｆ値を検出する動作モードである。以下、制御装置３がガスセンサ素子２に対する制御を開始してからのＣＯＭ電圧Ｖｃｏｍ、ＶＳ電圧ＶｓおよびＩＰ電流Ｉｐの状態変化について説明する。

【0050】

図５は、空燃比センサ１が正常時における、ＣＯＭ電圧Ｖｃｏｍ、ＶＳ電圧ＶｓおよびＩＰ電流Ｉｐの状態変化を示す図である。なお、以下においては、Ｖａ＝３．３［Ｖ］、Ｖｒｅｆ＝０．４５であるものとして説明するが、ＶａおよびＶｒｅｆはかかる電圧値に限定されるものではない。

【0051】

図５に示すように、制御装置３がガスセンサ素子２に対する制御を開始した場合（時刻ｔ０）、制御装置３は、第１モードを開始する。第１モードにおいて、電圧制御部１０は、ＣＯＭ電圧Ｖｃｏｍが一定電圧Ｖａ（＝３．３［Ｖ］）になるように電圧を出力する。

【0052】

また、モード制御部１８は、ヒータ制御部１７を制御し、バッテリーＢＡＴからヒータ６へ電力を供給させてガスセンサ素子２を加熱すると共に、ガスセンサ素子２の活性化判定を行う。かかる活性化判定は、ヒータ６の加熱によってガスセンサ素子２が活性状態になったか否かの判定である。

【0053】

ガスセンサ素子２の温度Ｔｓが高いほど検出セル５のインピーダンスＺｓが小さくなることから、モード制御部１８は、インピーダンスＺｓが閾値Ｚｔｈ１以下である場合に、ガスセンサ素子２が活性化されている状態であると判定する。なお、閾値Ｚｔｈ１は、ガスセンサ素子２が活性状態になる温度である活性温度Ｔｔｈ１以上である場合の検出セル５のインピーダンスＺｓである。

【0054】

活性化判定処理において、モード制御部１８は、測定用電流供給部１６のスイッチ４３を断続的にオンにして測定用電流供給部１６から測定用電流Ｉｍを検出セル５に供給させる。モード制御部１８は、測定用電流Ｉｍによって生じる電圧変化量ΔＶｓから検出セル５のインピーダンスＺｓ（＝ΔＶｓ／Ｉｍ）を求める。

【0055】

モード制御部１８は、インピーダンスＺｓが閾値Ｚｔｈ１以下になった場合（図５に示す時刻ｔ１）に、ガスセンサ素子２が活性したと判定し、動作モードを第２モードへ移行する。フィードバック制御部１２は、第２モードへ移行すると、フィードバック制御を開始し、ＶＳ電圧Ｖｓに応じた制御電圧Ｖｃｎｔを電流供給部１３へ出力する。

【0056】

これにより、Ｖｓ＝ＶｒｅｆとなるようにＩＰ電流Ｉｐが電流供給部１３からポンプセル４へ供給され、空燃比演算部１５において、ＩＰ電流Ｉｐに応じた空燃比（Ａ／Ｆ値）の演算が実行される。このように、制御装置３は、第１モードにおいてガスセンサ素子２を活性化させた後、第２モードにおいて、空燃比（Ａ／Ｆ値）の演算を繰り返し行うことができる。

【0057】

なお、第２モードにおいて、ヒータ制御部１７は、ガスセンサ素子２の活性状態を維持することができるようにデューティ比Ｄを調整してヒータ６に電力を供給する。例えば、ヒータ制御部１７は、モード制御部１８によって演算されるインピーダンスＺｓが閾値Ｚｔｈ２（＜Ｚｔｈ１）となるように、例えば、ＰＩ制御やＰＩＤ制御によって、デューティ比Ｄを調整する。これにより、ガスセンサ素子２の活性状態を維持することができる。なお、モード制御部１８は、第２モードにおいても活性化判定処理を継続して行う。

【0058】

［２．２．１０．異常検出部１９］
図２に示す異常検出部１９は、端子間電圧ＶｃｖおよびＶＳ電圧Ｖｓの変化量ΔＶｓに基づき、ＣＯＭ−ＶＳがショート状態であるか否かを検出する。かかる異常検出部１９は、端子間電圧検出部５１と、端子電圧検出部５２と、異常判定部５３とを備える。

【0059】

端子間電圧検出部５１は、ＣＯＭ端子ＴｃｏｍとＶＳ端子Ｔｖｓとの間の電圧である端子間電圧Ｖｃｖを検出する。なお、端子間電圧検出部５１は、ＣＯＭ端子ＴｃｏｍとＶＳ端子Ｔｖｓとの間の電圧差を直接検出する構成であってもよく、また、ＣＯＭ電圧ＶｃｏｍとＶＳ電圧Ｖｓとをそれぞれ検出し、ＣＯＭ電圧ＶｃｏｍとＶＳ電圧Ｖｓとの差を端子間電圧Ｖｃｖとして検出する構成であってもよい。

【0060】

端子電圧検出部５２は、ＶＳ電圧Ｖｓを検出する。端子電圧検出部５２は、例えば、端子電圧検出部１１と同様の構成にすることができる。なお、端子電圧検出部５２を設けずに、端子電圧検出部１１を端子電圧検出部５２として用いることができる。これにより、端子電圧検出部を共用化してコスト等を低減することができる。

【0061】

異常判定部５３は、端子間電圧検出部５１によって検出された端子間電圧Ｖｃｖと、端子電圧検出部５２によって検出されたＶＳ電圧Ｖｓに基づいて、ＣＯＭ−ＶＳ間がショート状態であるか否かを検出する。

【0062】

図６は、異常判定部５３の構成例を示す図である。図６に示すように、異常判定部５３は、第１状態判定部６１と、第２状態判定部６２と、仮判定部６３と、エラーカウンタ６４と、異常確定判定部６５とを備える。

【0063】

第１状態判定部６１は、端子間電圧Ｖｃｖと閾値Ｖｔｈ１とを比較し、端子間電圧Ｖｃｖが閾値Ｖｔｈ１以下であるか否かを判定する。第２状態判定部６２は、電圧変化量ΔＶｓと閾値Ｖｔｈ２とを比較し、電圧変化量ΔＶｓが閾値Ｖｔｈ２以下であるか否かを判定する。

【0064】

仮判定部６３は、第１状態判定部６１によって端子間電圧Ｖｃｖが閾値Ｖｔｈ１以下であると判定され、かつ、第２状態判定部６２によって電圧変化量ΔＶｓが閾値Ｖｔｈ２以下であると判定された場合、エラーカウンタ６４のカウンタ値Ｃｄをインクリメントする。異常確定判定部６５は、エラーカウンタ６４のカウンタ値Ｃｄが閾値Ｃｔｈ以上である場合に、ＣＯＭ−ＶＳ間がショートしていると判定する。

【0065】

なお、異常検出部１９の構成は、図６に示す構成例に限定されない。例えば、異常判定部５３は、フラグを用いて異常判定処理を行う構成であってもよい。例えば、異常判定部５３は、端子間電圧Ｖｃｖが閾値Ｖｔｈ１以下である場合に、第１検出フラグをオンにし、電圧変化量ΔＶｓが閾値Ｖｔｈ２以下である場合に、第２検出フラグをオンにする。異常判定部５３は、第１検出フラグと第２検出フラグとがオンである場合に、仮判定フラグをオンにし、仮判定フラグが所定回数以上継続してオンである場合に異常確定フラグをオンにする。

【0066】

図７は、検出セル５の両端がショートしていない場合（以下、正常時と記載する）と検出セル５の両端がショートしている場合（以下、ＣＯＭ−ＶＳ間ショート時と記載する）とにおける、測定用電流ＩｍとＶＳ電圧ＶｓとＣＯＭ電圧Ｖｃｏｍとの状態変化を示す図である。

【0067】

図７に示すように、測定用電流供給部１６は、検出セル５に所定期間ＴＡ毎に所定期間ＴＢだけ測定用電流Ｉｍを供給している。ＣＯＭ−ＶＳ間ショート時では正常時に比べて、ＣＯＭ−ＶＳ間のインピーダンスは低くなることから、端子間電圧Ｖｃｖと測定用電流ＩｍによるＶＳ電圧Ｖｓの変化量ΔＶｓとは、正常時に比べＣＯＭ−ＶＳ間ショート時が小さくなる。

【0068】

異常判定部５３は、上述するように、端子間電圧Ｖｃｖが閾値Ｖｔｈ１以下であり、かつ、電圧変化量ΔＶｓが閾値Ｖｔｈ２以下である場合に、ＣＯＭ−ＶＳ間がショートしていると判定する。これにより、ＩＰ−ＣＯＭ間がショートしている場合であっても、検出セル５の両端のショート状態を精度よく検出することができる。

【0069】

ところで、モード移行直後は、不安定な状態であり、第２モードへ移行した時刻ｔ１からＣＯＭ−ＶＳ間のショート状態を検出すると、誤検出の可能性がある。そこで、異常判定部５３は、第１モードから第２モードへ移行した時刻ｔ１（図５参照）から所定期間Ｔ０（図５参照）が経過後（図５の時刻ｔ２）に、ＣＯＭ−ＶＳ間のショート状態の判定処理を開始する。これにより、検出セル５の両端のショート状態をより精度よく検出することが可能になる。

【0070】

また、異常判定部５３は、所定条件を満たす期間に端子間電圧検出部５１によって検出された端子間電圧Ｖｃｖに基づいて、検出セル５の端子間のショート状態を判定する。図８は、異常判定部５３で用いる端子間電圧Ｖｃｖの検出タイミングの説明図である。

【0071】

図８に示すように、測定用電流Ｉｍが供給されなくなる時刻ｔ１０から所定期間Ｔ１１経過後であって測定用電流Ｉｍが供給される時刻ｔ１１の前の期間Ｔ１３において端子間電圧検出部５１によって検出された端子間電圧Ｖｃｖが異常判定部５３によるＣＯＭ−ＶＳ間のショート状態の判定に用いられる。

【0072】

期間Ｔ１３は、端子間電圧Ｖｃｖが安定している状態であり、測定用電流Ｉｍに起因する端子間電圧Ｖｃｖの誤差が少ないことから、検出セル５の両端のショート状態をより精度よく検出することが可能になる。なお、図８において、期間Ｔ１０は、測定用電流が供給されている期間であり、期間Ｔ１２は、期間Ｔ１０と期間Ｔ１１とを含む期間である。

【0073】

ところで、モード制御部１８は、第１モードから第２モードへ移行してから、ＣＯＭ−ＶＳ間のショートが発生した場合に、ガスセンサ素子２が非活性状態になることを防止して、ＣＯＭ−ＩＰ間のショートを精度よく判定することができるようにしている。この点について、図９および図１０を参照して説明する。

【0074】

図９は、第１モードから第２モードへ移行してから、ＣＯＭ−ＶＳ間のショートが発生した場合の動作説明図である。図９に示すように、正常な状態から時刻ｔ２０においてＣＯＭ−ＶＳ間のショートが発生した場合、次の処理タイミングである時刻ｔ２２で、インピーダンスＺｓが急に低下し、インピーダンスＺｓが閾値Ｚｔｈ１以下になる。

【0075】

このようにインピーダンスＺｓが閾値Ｚｔｈ１以下になった場合、異常検出部１９は、ヒータ制御部１７を制御し、デューティ比Ｄの調整を制限する。これにより、ヒータ６へ供給する電力量の調整を制限される。図９に示す例では、デューティ比ＤをＣＯＭ−ＩＰ間がショートする直前のデューティ比Ｄに所定期間ＴＣだけ固定される。かかる所定期間ＴＣは、ＣＯＭ−ＶＳ間ショート異常を検出に必要な期間ＴＤよりも長い期間に設定される。

【0076】

また、異常検出部１９は、インピーダンスＺｓが閾値Ｚｔｈ１以下になった場合、ヒータ制御部１７を制御し、所定期間ＴＣだけデューティ比Ｄが所定値Ｄｔｈ未満になることを禁止することもできる。これにより、ヒータ６へ電力を継続して供給することができる。なお、所定値Ｄｔｈは、ガスセンサ素子２の温度Ｔｓが閾値Ｔｔｈ２から所定期間ＴＣ内に活性温度Ｔｔｈ１以下にならないように設定される。また、所定値Ｄｔｈをゼロにしてヒータ６へ供給する電力量がゼロになることを防止するようにしてもよい。

【0077】

このように、異常検出部１９は、インピーダンスＺｓが閾値Ｚｔｈ１以下になった場合にデューティ比Ｄの調整を制限することから、ガスセンサ素子２が非活性状態になることを防止することができる。図１０は、インピーダンスＺｓが閾値Ｚｔｈ１以下になった場合、異常検出部１９がデューティ比Ｄの調整を制限しない場合の動作説明図である。

【0078】

インピーダンスＺｓが閾値Ｚｔｈ１以下になっても異常検出部１９がデューティ比Ｄの調整を制限しない場合、図１０に示すように、ヒータ制御部１７によってデューティ比Ｄがゼロになってヒータ６へ供給する電力量がゼロになる。

【0079】

そのため、ガスセンサ素子２の温度Ｔｓが低下し、図１０に示す例では、時刻ｔ２５において、ガスセンサ素子２の温度Ｔｓが活性温度Ｔｔｈ１以下になり、ガスセンサ素子２が不活性状態になる。そのため、異常検出部１９によってＣＯＭ−ＶＳ間のショート状態を検出することができない。

【0080】

一方、異常検出部１９は、上述したように、インピーダンスＺｓが閾値Ｚｔｈ１以下になった場合にデューティ比Ｄの調整を制限することから、ＣＯＭ−ＶＳ間のショート状態を精度よく検出することが可能になる。

【0081】

なお、上述した例では、異常検出部１９は、演算されたインピーダンスＺｓに基づいてデューティ比Ｄの調整を制限するが、異常検出部１９は、端子間電圧Ｖｃｖが閾値Ｖｔｈ１以下、かつ、電圧変化量ΔＶｓが閾値Ｖｔｈ２以下である場合に、ヒータ制御部１７を制御し、デューティ比Ｄの調整を制限することもできる。

【0082】

また、上述した実施形態では、制御装置３内に異常判定部５３（異常判定装置の一例）を設ける例を説明したが、制御装置３の異常判定部５３は外部に設けることができる。

【0083】

［３．異常検出部１９の異常判定処理フロー］
次に、フローチャートを用いて、異常検出部１９の異常判定処理の流れの一例を説明する。図１１は、異常検出部１９が実行する主な処理手順を示すフローチャートであり、繰り返し実行される処理である。

【0084】

図１１に示すように、異常検出部１９は、動作モードが第２モードであるか否かを判定し（ステップＳ１０）、動作モードが第２モードであると判定した場合（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）、第２モードに移行して所定期間Ｔ０が経過したか否かを判定する（ステップＳ１１）。異常検出部１９は、第２モードに移行して所定期間Ｔ０が経過したと判定した場合（ステップＳ１１；Ｙｅｓ）、端子間電圧Ｖｃｖが閾値Ｖｔｈ１以下であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。

【0085】

異常検出部１９は、端子間電圧Ｖｃｖが閾値Ｖｔｈ１以下であると判定した場合（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、電圧変化量ΔＶｓが閾値Ｖｔｈ２以下であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。異常検出部１９は、電圧変化量ΔＶｓが閾値Ｖｔｈ２以下である場合（ステップＳ１３；Ｙｅｓ）、カウンタ値Ｃｄがゼロ（初期値）であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。

【0086】

異常検出部１９は、カウンタ値Ｃｄがゼロであると判定した場合（ステップＳ１４；Ｙｅｓ）、異常検出部１９を制御し、デューティ比Ｄの調整を所定期間ＴＣ制限する処理を開始する（ステップＳ１５）。なお、異常検出部１９は、ステップＳ１４、Ｓ１５の処理に代えて、インピーダンスＺｓが閾値Ｚｔｈ１以下になったタイミングで、デューティ比Ｄの調整を所定期間ＴＣ制限する処理を開始することもできる。

【0087】

ステップＳ１５の処理が終了した場合、または、カウンタ値Ｃｄがゼロではないと判定した場合（ステップＳ１４；Ｎｏ）、異常検出部１９は、カウンタ値Ｃｄをインクリメントする（ステップＳ１６）。異常検出部１９は、カウンタ値Ｃｄが閾値Ｃｔｈ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ１７）。

【0088】

異常検出部１９は、カウンタ値Ｃｄが閾値Ｃｔｈ１以上であると判定した場合（ステップＳ１７；Ｙｅｓ）、ＣＯＭ−ＶＳ間がショートしていると判定する（ステップＳ１８）。ステップＳ１８の処理が終了した場合、第２モードでない場合（ステップＳ１０；Ｎｏ）、所定期間Ｔ０が経過している場合（ステップＳ１１；Ｎｏ）、端子間電圧Ｖｃｖが閾値Ｖｔｈ１以下でない場合（ステップＳ１２；Ｎｏ）、電圧変化量ΔＶｓが閾値Ｖｔｈ２以下でない場合（ステップＳ１３；Ｎｏ）、カウンタ値Ｃｄが閾値Ｃｔｈ１以上でない場合（ステップＳ１７；Ｎｏ）、図１１に示す処理を終了し、次の処理タイミングでステップＳ１０の処理から実行される。

【0089】

上述したように、空燃比センサ１の異常判定部５３は、端子間電圧検出部５１と、端子電圧検出部５２と、異常判定部５３とを備える。端子間電圧検出部５１は、検出セル５の一端が接続されるＣＯＭ端子Ｔｃｏｍ（第１端子の一例）と検出セル５の他端が接続されるＶＳ端子Ｔｖｓ（第２端子の一例）との間の端子間電圧Ｖｃｖを検出する。検出セル５のインピーダンスＺｓの状態を測定するためにＣＯＭ端子ＴｃｏｍとＶＳ端子Ｔｖｓとの間に供給される測定用電流Ｉｍによって変化するＶＳ端子ＴｖｓのＶＳ電圧Ｖｓを検出する。端子電圧検出部５２は、検出セル５のインピーダンスＺｓの状態を測定するための測定用電流Ｉｍによって変化するＶＳ電圧Ｖｓ（第２端子の電圧の一例）を検出する。異常判定部５３は、端子間電圧検出部５１によって検出される端子間電圧Ｖｃｖと端子電圧検出部５２によって検出されるＶＳ電圧Ｖｓの測定用電流Ｉｍによる変化量ΔＶｓとに基づいて、ＣＯＭ−ＶＳ間のショート状態を判定する。

【0090】

これにより、例えば、ＩＰ−ＣＯＭ間がショートしている場合であっても、ＣＯＭ−ＶＳ間のショート状態の誤判定を回避することができ、ＣＯＭ−ＶＳ間のショート状態、すなわち、検出セル５の両端のショート状態を精度よく検出することができる。

【0091】

異常判定部５３は、測定用電流Ｉｍが供給されていない状態で端子間電圧検出部５１によって検出された端子間電圧Ｖｃｖが閾値Ｖｔｈ１（所定値の一例）以下であり、かつ、端子電圧検出部５２によって検出されるＶＳ電圧Ｖｓの測定用電流Ｉｍによる変化量ΔＶｓが閾値Ｖｔｈ２（所定値の一例）以下である場合に、ＣＯＭ−ＶＳ間がショートしていると判定する。これにより、検出セル５の両端のショート状態を精度よく検出することができる。

【0092】

異常判定部５３は、測定用電流Ｉｍが供給されなくなってから所定期間Ｔ１１経過後であって測定用電流Ｉｍの供給前に端子間電圧検出部５１によって検出された端子間電圧Ｖｃｖに基づいて、ＣＯＭ−ＶＳ間のショート状態を判定する。これにより、測定用電流Ｉｍに起因する端子間電圧Ｖｃｖの誤差によってＣＯＭ−ＶＳショート異常を精度よく検出することができる。

【0093】

また、異常判定部５３は、空燃比センサ１が空燃比を検出する第２モードへ移行してから所定期間Ｔ０経過後に、ＣＯＭ−ＶＳ間のショート状態の判定処理を開始する。これにより、モード移行直後の不安定な状態での異常検出を行うことによる誤判定を抑制することができる。

【0094】

また、異常判定部５３は、ＣＯＭ−ＶＳ間のインピーダンスＺｓが閾値Ｚｔｈ１（所定値の一例）以下になってから所定期間ＴＣが経過するまで、ガスセンサ素子２を加熱するヒータ６へ供給する電力量の調整を制限する。これにより、第２モードにおいて正常状態から、検出セル５の両端のショートが発生した場合に、ガスセンサ素子２が非活性状態になることを防止でき、ＣＯＭ−ＩＰ間のショートを精度よく判定することができる。

【0095】

また、異常判定部５３は、インピーダンスＺｓが閾値Ｚｔｈ１以下になる前のヒータ６へ供給される電力量を所定期間ＴＣ維持することによって、電力量の調整の制限を行う。これにより、ＣＯＭ−ＩＰ間のショートが発生した場合に、ヒータ６の温度Ｔｓを略一定に維持することができる。

【0096】

また、異常判定部５３は、ヒータ６へ供給される電力量が所定値以下になることを禁止することによって、電力量の調整の制限を行う。これにより、ＣＯＭ−ＩＰ間のショートが発生した場合に、ヒータ６への電力供給が停止されることを抑制できる。

【0097】

また、所定期間ＴＣは、ＣＯＭ−ＶＳ間のショートの発生によってインピーダンスＺｓが閾値Ｚｔｈ１以下になってから異常判定部５３によってＣＯＭ−ＶＳ間がショートしていると判定されるまでの期間ＴＤよりも長い。これにより、ＣＯＭ−ＩＰ間のショートが発生した場合に、ＣＯＭ−ＩＰ間のショートを精度よく判定することができる。

【0098】

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

【符号の説明】

【0099】

１ 空燃比センサ
２ ガスセンサ素子
３ 制御装置
４ ポンプセル
５ 検出セル
６ ヒータ
１０ 電圧制御部
１１ 端子電圧検出部
１２ フィードバック制御部
１３ 電流供給部
１４ 電流検出部
１５ 空燃比演算部
１６ 測定用電流供給部
１７ ヒータ制御部
１８ モード制御部
１９ 異常検出部
４２ 電流源
４４ 電圧源
５１ 端子間電圧検出部
５２ 端子電圧検出部
５３ 異常判定部
６１ 第１状態判定部
６２ 第２状態判定部
６３ 仮判定部
６４ エラーカウンタ
６５ 異常確定判定部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】